Ученые пролили свет на микробную «темную материю» с помощью нового подхода

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США продемонстрировали способ изолировать и выращивать целевые бактерии, используя геномные данные. Это важный шаг к решению грандиозной задачи изучения некультивируемой микробной «темной материи», поскольку подавляющее большинство микроорганизмов остаются неисследованными в лаборатории.

Несмотря на важность микроорганизмов для окружающей среды и здоровья человека, только около половины микробов в человеческом теле были выращены в лаборатории для экспериментов, а из большинства открытых сред культивирована лишь крошечная доля. Микробы могут быть чрезвычайно сложны для выращивания просто потому, что о них известно так мало.

За последние 20 лет ученые добились прогресса в понимании микробной жизни, секвенируя геномы микробов, взятых в полевых условиях. Однако извлечение этого генетического материала убивает организм. Помимо вывода характеристик микробов из данных последовательностей, ученые хотят иметь возможность изучать живые организмы и доказывать теории об их форме и функции.

«Можно подумать, что мы должны быть в состоянии понять, что такое микроб и как его вырастить, просто по данным последовательности. Но проблема в том, что мы все еще не умеем читать большую часть этой информации. Это огромная многомерная головоломка. Вы можете строить гипотезы, но пока вы не культивируете этот организм, вы можете только строить догадки о его физиологии», — сказал микробиолог ORNL Мирча Подар.

Подар и его команда разработали метод, который полагается на конструирование антител для идентификации и изоляции специфических микробов из сложных образцов микробиома полости рта человека, как описано в Nature Biotechnology.

Метод использует уже имеющиеся знания ученых о том, как предсказать, какие белки у целевого микроба обычно расположены на мембране клетки. Вычислительное моделирование структуры использовалось для предсказания регионов в этих белках, которые могут служить антигенами. Затем ученые сгенерировали антитела, которые естественным образом находят и связываются с этими специфическими антигенами. Ученые добавили к антителам флуоресцентную метку, которая при освещении идентифицировала целевые клетки, которые затем успешно изолировали.

Метод обратной геномики привел к успеху

У исследователей ORNL не было естественного источника антигенов, поскольку микробы ранее не выращивались. Поэтому они использовали данные последовательностей, чтобы помочь создать антигены — по сути, обратив порядок того, как геномная информация обычно используется в микробиологии, объяснил Подар.

В своих экспериментах ученые сначала использовали геномные данные группы бактерий полости рта человека, TM7 или Saccharibacteria, ранее связанных с пародонтитом и воспалительными заболеваниями кишечника. Они успешно изолировали три разных вида TM7. В последующей работе они также изолировали представителя другой некультивируемой бактериальной группы, SR1, используя ту же стратегию.

«Прошло более десяти лет с тех пор, как мы начали секвенирование некультивируемых микробов и обнаружили, что, хотя некоторые из них легко выращивать, большинство — сложно. В результате некоторые ученые стали полагаться только на секвенирование для анализа микробов», — сказал Подар. «Это первый подход, который позволяет нам быть избирательными в отношении того, какие микробы мы нацеливаем, и не имеет значения, насколько мало их может быть в образце. Он должен быть универсально применим к любой микробной среде».

«Мы можем ответить на фундаментальные вопросы о многих некультивируемых микробах, если сможем их культивировать», — сказал Подар.

Культивирование знаний о форме и функции

Следующий рубеж — расширить культивирование на многие другие линии жизни, о которых мы знаем только по данным последовательностей, сказал Подар.

«Культивирование нескольких микробов одновременно имеет решающее значение. Тогда мы сможем увидеть, кто с кем взаимодействует, как они общаются друг с другом и относятся друг к другу как помощники или конкуренты, например. Это вещи, которые мы не можем получить из секвенирования, и это один из аспектов, который мы обнаружили у TM7 в микробиоме полости рта».

Среди жизненно важных вопросов, на которые ученые хотят ответить, — как микробы иногда образуют симбионты для выживания и почему одни процветают в определенных условиях, а другие нет.

«Мы хотим понять, как развивались определенные микробы и что они могут делать для различных микробиомов», — сказал Подар. «Мы могли бы применить эти знания к здоровью человека, к тому, как микробы приносят пользу растениям, и к микробам, которые могут помочь нам очистить загрязненные участки».